DE69023887T2 - Einphasiger elektromagnetischer betätiger mit geringem raumbedarf. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement, das mindestens eine stabile Position in Abwesenheit von Strom aufweist und ein bewegliches Organ und eine Statorstruktur umfaßt, wobei das bewegliche Organ einen Teil umfaßt, der senkrecht zur Richtung seiner Verschiebung magnetisiert ist, wobei die Dicke des magnetisierten Teils im Vergleich zu seinen sonstigen Abmessungen gering ist. Die Statorstruktur umfaßt zwei Magnetkreise, die aus einem Material sehr hoher magnetischer Permeabilität gefertigt sind, und weist einen Luftspalt auf, in dem zumindest ein Abschnitt des magnetisierten Teils angeordnet ist. Die Statorstruktur umfaßt zumindest eine elektrische Erregerspule, die mit dem Magnetkreis gekoppelt ist.
• Die internationale Patentanmeldung CH-8700063, die am 1. Juni 1987 unter der Priorität der schweizerischen Patentanmeldung 222886 hinterlegt wurde, welche am 2. Juni 1986 (Veröffentlichungsnummer WO-A-8707757) hinterlegt wurde, beschreibt eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, die es ermöglicht, eine Verschiebung des beweglichen Organs über eine begrenzte Entfernung mit im wesentlichen konstanter Kraft durchzuführen.
• Diese Vorrichtung ist insbesondere für die Betätigung des kombinierten Lese-Schreibkopfes eines Rotationsplattenspeichers, wie beispielsweise einer Festplatte, einer Magnetplatte oder einer optischen Platte, bestimmt.
• Das Patent WO 87/07757 und das Patent US 3536941 betreffen Betätigungselemente, die die technischen Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1 des vorliegenden Patents aufweisen.
• Diese Vorrichtungen der vorveröffentlichten Technik weisen mehrere große Nachteile auf. Erstens erfolgt die Schließung der Magnetkreise durch Magnetdichtungen, die entweder hinter der Statorstruktur, d.h. senkrecht auf den Verschiebeweg des beweglichen Organs, angeordnet sind, oder in Ebenen, die zum Verschiebeweg des beweglichen Organs parallel sind. In beiden Fällen wird dadurch der Platzbedarf der Statorstruktur erheblich vergrößert, was bei gewissen Anwendungen der Mikromechanik, bei denen die Volumszwänge kritisch sind, ein Nachteil sein kann. Solche Betatigungselemente werden insbesondere bei Festplattenlesern für die Verschiebung des Lesekopf es eingesetzt. Die immer stärkere Miniaturisierung erlaubt es nicht, ein Betätigungselement zu verwenden, das eine geschlossene Statorstruktur umfaßt. Überdies wird bei zahlreichen Anwendungen gefordert, daß das bewegliche Organ in Abwesenheit von Erregerstrom der elektrischen Spule in einer stabilen Position verbleibt. Die Verschlußkraft des beweglichen Organs in dieser stabilen Position ist jedenfalls zu kontrollieren, um ein zu starkes Kleben zu vermeiden, das den normalen Betrieb des Betätigungselements stören würde. Dieses Merkmal wird beispielsweise gefordert, wenn das Betätigungselement die Feder eines Zeichengeräts steuern soll. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die Zeichenfeder in Abwesenheit von Strom in angehobener Position verbleibt, d.h. vom Papier losgelöst, nachdem der Strom die Feder in die obere Position gebracht hat.
• Bei den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird eine Feder mit definierter Kraft und sehr geringer Steife verwendet, um dieses Resultat zu erzielen. Diese Lösung ist dennoch nicht gänzlich zufriedenstellend, da die Federstärke permanent wirkt. Sie stört somit die von dem elektromagnetischen Betätigungselement ausgeübte Kraft. Überdies führt die Streuung der physikalischen Eigenschaften einer Familie von theoretisch identischen Federn zu Schwankungen der Schreibstärke, die die zulässigen Toleranzen überschreiten, wenn die Schreibstärke gering ist. Beträgt beispielsweise die für eine Feder empfohlene Schreibstärke ungefähr 0,5 Newton und ist die Feder auf 0,8 Newton mit einer Toleranz von mehr oder weniger 0,1 Newton eingestellt, ruft diese Toleranz eine Schwankung von mehr oder weniger als 20% der Schreibstärke hervor.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, indem sie eine Betätigungsvorrichtung vorschlägt, die es ermöglicht, eine konstante Kraft auf einen großen Verschiebenutzbereich auszuüben, die einen geringen Platzbedarf und einen Anschlagimpuls aufweist, der zu einem "Kleben" des beweglichen Organs in dieser Position führt, nachdem es der Strom dorthin gebracht hat, und aus der er es später wieder wegbewegen kann.
• Zu diesem Zweck umfaßt das erfindungsgemäße einphasige Betatigungselement ein bewegliches Organ, das zumindest einen dünnen Teil aufweist, der senkrecht zur Verschiebungsrichtung magnetisiert ist, sowie eine Statorstruktur, die einen Luftspalt definiert. Dieser Luftspalt befindet sicheinerseits zwischen einem ersten Magnetkreis, welcher aus einem Material von sehr hoher magnetischer Permeabilität gefertigt ist und zumindest eine elektrische Erregerspule umfaßt, durch die Strom fließt und die senkrecht zur Richtung der Verschiebung des beweglichen Organs sowie zur Richtung der Magnetisierung des magnetisierten Teils des beweglichen Organs ist, und andererseits einem zweiten Nagnetkreis, der aus einem Material von sehr hoher magnetischer Permeabilität gefertigt ist. Das bewegliche Organ weist einen magnetisierten Teil auf, der aus einem Material gefertigt ist, das im gesamten Arbeitsbereich eine praktisch lineare Entmagnetisierungscharakteristik und eine reversible Permeabilität aufweist, die derjenigen von Luft sehr nahe kommt. Der magnetisierte Teil weist zwei in entgegengesetzte Richtungen magnetisierte Magnetpolpaare auf, die Magnetisierung ist praktisch gleichförmig und erstreckt sich über eine Länge YA, die entlang des Verschiebungsweges des beweglichen Organs gemessen wird. Die Statorstruktur umfaßt zumindest auf einer Seite des Luftspalts einen mittleren Polteil mit einer Länge Y&sub2; gemessen entlang desselben Verschiebungsweges, und zwei seitliche Polteile mit der Länge Y&sub1; und Y&sub3;, gemessen entlang desselben Verschiebungsweges, wobei die Längen der Polteile Y&sub1;, Y&sub2; und Y&sub3; im wesentlichen und zumindest gleich YA sind, verringert um die Breite der Aussparung, in der sich die Spulendrähte befinden. Die beiden Magnetkreise, die den Statorteil bilden, sind nicht durch Magnetdichtungen verbunden, sondern durch nicht magnetische Zwischenstücke. Der Weg des beweglichen Organs ist höchstens gleich dem kürzesten der Polteile. Vorzugsweise ist der Weg des beweglichen Organs auf beiden Seiten einer mittleren Position kleiner als die Hälfte der Differenz zwischen der Gesamtlänge des kürzesten Magnetkreises, gemessen zwischen seinen beiden äußeren Seitenkanten, und der Gesamtlänge der magnetisierten Teile. Überraschenderweise liefert das auf diese Weise ausgeführte Betatigungselement eine gleichsam konstante Kraft auf dem Verschiebungsweg des beweglichen Organs, trotz des Nichtvorhandenseins der Schließung der Magnetkreise, vorausgesetzt die Durchflußquerschnitte im Eisen sind im Bereich der Aussparungen, in denen die Spulendrähte angeordnet sind, ausreichend.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der vorliegenden Erfindung weist zumindest einer der Polteile eine Abschrägung senkrecht zur Verschiebungsrichtung des beweglichen Organs auf. Ein Anschlag verhindert die Bewegung des magnetisierten Teils in die Endzone, in der die Arretierungskraft nachläßt.
• Nach einer Variante der vorhergehenden Ausführungsart bilden zumindest eine der Seitenkanten von zumindest einem der Magnetkreise und der entsprechende Seitenrand des magnetisierten Teils zwischen sich einen Winkel zwischen und 10 Grad. Unter Seitenkante ist die Kante zu verstehen, die im wesentlichen auf die Verschiebungsrichtung und auf die Magnetisierungsrichtung senkrecht ist.
• Diese Abschrägung oder dieses geneigte Seitenband ermöglicht es, den Randeffekt einzustellen, der zumindest an einem der Enden des Weges des beweglichen Organs eine Haltekraft gewährleistet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst somit auf besonders elegante Weise das Problem, das darin besteht, eine stabile Position in Abwesenheit von Strom zu erzielen, ohne daß es erforderlich ist, ein mechanisches Stück, wie beispielsweise eine Feder, hinzuzufügen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt, wie beispielsweise für die Vertikalbewegung einer Feder eines Zeichengeräts, eines Orgelventils oder eines Hydraulikventils. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in zahlreichen Formen ausgeführt sein, wobei die Statorstruktur sowie das bewegliche Organ verschiedene geometrische Formen aufweisen können.
• Vorzugsweise ist der Anschlag im äußeren Teil in einer Entfernung angeordnet, die, gemessen entlang des Verschiebungsweges und in die Richtung des Mittelpunktes des Betätigungselements, geringer als die Breite E des Luftspalts ist.
• Nach einer besonderen Ausführungsart hat der magnetisierte Abschnitt zylindrische Form und weist 2N koaxiale magnetisierte Teile auf, die radial in wechselnder Richtung magnetisiert sind. Der magnetisierte Teil verschiebt sich in einem röhrenförmigen Luftspalt, der von den ersten Magnetkreis und dem zweiten Magnetkreis umgrenzt wird.
• Unter zylindrisch bzw. röhrenförmig ist eine Struktur mit beliebigem Querschnitt, beispielsweise kreisförmig, quadratisch, polygonal usw..., zu verstehen. Nach einer Variante besteht der zweite Kreis aus einem Zylinder aus einem Material sehr hoher Permeabilität, der mit dem zylindrischen magnetisierten Teil verbunden ist. Die Länge des zylindrischen Magnetkreises ist zumindest gleich der Summe der Länge des ersten Magnetkreises und des Weges der beweglichen Achse.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsart, insbesondere für Betätigungselemente großer Abmessungen, wird der bewegliche Teil von einer Struktur mit zwei parallelen dünnen Magneten gebildet, die jeweils 2N Teile umfassen, die senkrecht auf den Verschiebungsbedarf magnetisiert sind, wobei die dünnen Magnete durch Zwischenstücke verbunden sind, wobei das zwischen den beiden dünnen Magneten befindliche Volumen zumindest teilweise mit einem Material sehr hoher magnetischer Permeabilität gefüllt ist. Das dermaßen ausgeführte bewegliche Organ weist eine große Steifigkeit auf.
• Das nach dieser Variante ausgeführte elektromagnetische Betatigungselement weist einen sehr einfachen Zusammenbau auf.
• Vorteilhafterweise sind der erste Magnetkreis und der zweite Magnetkreis in bezug auf die Mittelebene des magnetisierten Teils des beweglichen Organs senkrecht auf die Magnetisierungsrichtung symmetrisch.
• Der zweite Magnetkreis kann auch keinen diskreten Statorpol umfassen. Durch diese Ausführungsart werden die Steifigkeit und die Amplitude der Kraft verringert, die auf den magnetisierten Teil ausgeübt wird, wenn sich dieser am Endanschlag befindet.
• Vorteilhafterweise ist das Verhältnis zwischen der Länge YA des magnetisierten Teils und der Dicke E des Luftspalts größer als 4. Auf diese Weise ergibt sich eine erweiterte Zone, in der die Kraft konstant ist.
• Nach einer Variante ist der magnetisierte Teil in Form von zwei Wandabschnitten geringer Dicke eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt vorhanden, wobei diese Abschnitte zur mittleren Mantellinie symmetrisch und radial in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind, wobei die Verschiebung des beweglichen Organs in diesem Fall eine Winkelverschiebung um die Achse des Zylinders ist.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist die Abschrägung eine Länge zwischen 1/5 und 1/20 der Länge des entsprechenden Polteiles auf.
• Nach einer weiteren Ausführungsvariante wird das bewegliche Organ von einem Scheibensektor gebildet, der einen senkrecht auf die Ebene der Scheibe magnetisierten Teil umfaßt. Der magnetisierte Teil weist 2N Winkelsektoren einer mit der Scheibe koaxialen Ringfläche auf, die in wechselnder Richtung magnetisiert sind.
• Zumindest einer der Magnetkreise weist 2N+1 Polteile auf, die von Winkelsektoren gebildet werden, deren Winkelabmessung der Abmessung der magnetisierten Winkelsektoren entspricht.
• Auf diese Weise wird ein flaches rotierendes Betätigungselement mit sehr geringem Platzbedarf aufgrund der Abwesenheit eines magnetischen Materials für die Schließung des Magnetflusses hergestellt. Derartige Winkelbetätigungselemente sind besonders für die Betatigung eines Stützarmes eines Festplattenlesekopfes geeignet.
• Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende Beschreibung und die zeichnungen besser verständlich, wobei:
• - Figur 1 eine mittlere Schnittansicht eines erfindungsgemäßen linearen Betätigungselements darstellt;
• - Figur 2 eine Schnittansicht einer Ausführungsvariante darstellt;
• - Figur 3 eine Schnittansicht einer zweiten Variante darstellt;
• - Figur 4 eine mittlere Schnittansicht eines rotierenden zylindrischen Betätigungselements nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
• - Figur 5 eine Schnittansicht einer Variante eines rotierenden Betätigungselements darstellt;
• - Figur 6 die Kraft-Verschiebungs-Kurven darstellt;
• - Figur 7 eine Schnittansicht eines linearen zylindrischen Betätigungselements darstellt.
• Figur 1 stellt eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dar. Es handelt sich um ein lineares Betätigungselement, bestehend aus einem beweglichen Organ (1) und einer Statorstruktur (2). Das bewegliche Organ (1) besteht aus zwei magnetisierten Teilen (3, 4). Diese magnetisierten Teile (3, 4) werden von dünnen Magneten gebildet, die senkrecht zur Verschiebungsrichtung&sub1; dargestellt durch den Pfeil (5), magnetisiert sind. Der magnetisierte Teil (1) kann aus zwei dünnen Magneten bestehen, die entlang einer Verbindungslinie (6) angeordnet sind. Der magnetisierte Teil (1) kann auch aus einem monolithischen ferromagnetischen Material gefertigt sein, in das zwei Zonen entgegengesetzter Magnetisierung induziert werden. In diesem letzteren Fall ist eine mittlere Übergangs zone vorhanden.
• Die Statorstruktur umfaßt einen ersten Magnetkreis (7) und einen zweiten Magnetkreis (8), die zwischen sich einen Luftspalt definieren, dessen Breite E durch ein Zwischenstück eingestellt wird, das von einem nicht magnetischen Stab gebildet wird, der senkrecht auf die Verschiebungsrichtung des beweglichen Organs (3) angeordnet ist. Klemmschrauben, die in Figur 1 nicht dargestellt sind, gewährleisten das Festsetzen der auf diese Weise ausgeführten Statorstruktur. Nach einer weiteren Ausführungsart, die in Figur 1 nicht dargestellt ist, werden die beiden Magnetkreise (7, 8) in einer Kokille aus steifem Kunststoff gehalten, die das Außengehäuse des Betätigungselements bildet. Die Magnetkreise (7, 8) sind aus einem Material sehr hoher magnetischer Permeabilität, wie beispielsweise Eisen-Nickel, gefertigt. Der erste Magnetkreis (7) weist drei Polteile auf, einen mittleren Polteil (10) und zwei seitliche Polteile (9, 11). Zwei Aussparungen (12, 13) ermiglichen die Lagerung der Litzen der elektrischen Erregerspule (14). Der zweite Magnetkreis (8) ist zum ersten Magnetkreis (7) in bezug auf die Mittelebene des beweglichen Teils (1) symmetrisch.
• Die beiden Magnetkreise sind durch nicht magnetische Zwischenstücke verbunden, und die Vorrichtung umfaßt kein magnetisches Stück für die Schließung des Magnetflusses.
• Die Magnetkreise (7, 8) umfassen entlang der Außenkanten der seitlichen Polteile (9, 11, 19, 21) Abschrägungen (22, 23, 24, 25). Diese Abschrägungen (22 bis 25) bestehen in einem Band mit einer Länge YC das auf die Verschiebungsrichtung des beweglichen Organs (1) und auf die Magnetisierungsrichtung der magnetisierten Teile (3, 4) senkrecht ist. Diese Abschrägungen (22 bis 25) bilden mit der Ebene, die auf die Magnetisierungsrichtung der magnetisierten Teile (3, 4) senkrecht ist, einen Winkel von ungefähr 30º. Der Wert dieses Winkels hat nur beispielhaften Charakter. Ist die Länge YC der Abschrägung gering oder ist der Winkel gering, ist die Arretierungskraft, die auf das bewegliche Organ ausgeübt wird, wenn sich dieses am Anschlag befindet, groß. Ist hingegen die Länge YC der Abschrägungen (22 bis 25) groß und ist der Winkel ebenfalls groß, ist die Arretierungskraft, die auf das bewegliche Organ ausgeübt wird, kleiner. Der Fachmann wird in der Lage sein, die optimalen Bedingungen für die gewünschte Nutzung festzulegen. Dieser Kompromiß hängt von der gewünschten Verschlußkraft, von der zulassigen Toleranz für die Zone konstanter Kraft und für die zulassige Leistung für die Durchführung des Loslösens des beweglichen Organs ab, wenn sich dieses am Anschlag befindet. Anschläge (30, 31) begrenzen den Weg des beweglichen Organs und verhindern dessen Uberschreitung einer Position, in der die Arretierungskraft abnimmt, nachdem sie ihr Maximum erreicht hat, d.h. in der sie das bewegliche Organ in die Symmetrieposition bringen würde. Es versteht sich, daß die Abschrägung in Form einer abgerundeten Kante ausgeführt sein kann.
• Y&sub1; und Y&sub3; sind die Längen der seitlichen Polteile des ersten Magnetkreises (7). In den meisten Fällen, jedoch nicht ausschließlich, sind Y&sub1; und Y&sub3; gleich. Y&sub2; ist die Länge des mittleren Magnetteils (10), der sich zwischen den Nuten (12, 13) befindet, in denen die Windungen der Erregerspule (12) angeordnet sind.
• In dem beschriebenen Beispiel ist die Länge Y&sub1; des seitlichen Magnetteils (9) gleich der Länge Y&sub2; des mittleren Teils (10), vergrößert um die Breite E des Luftspalts. Die Länge YA des magnetisierten Teils ist gleich der Länge Y&sub2; des mittleren Magnetteils (10), vergrößert um die Länge der Aussparung, die die Spule enthält.
• Eine nicht dargestellte Ausführungsvariante besteht darin, die in Figur 1 dargestellte Struktur um ihre Achse OY zu "wickeln". Es ergibt sich auf diese Weise eine Konfiguration, bei der das bewegliche Organ von zwei magnetisierten Teilen (3, 4) röhrenförmiger Form und wechselnder radialer Magnetisierung gebildet wird. Der erste Magnetkreis (7) weist drei übereinanderliegende ringförmige Polteile (9, 10, 11) auf. Zwei der kreisförmigen Kanten (22, 24) weisen eine Abschrägung (22, 24) auf. Der zweite Magnetkreis (8) wird von einem Zylinder gebildet, der aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität gefertigt ist. Dieser Zylinder (8) ist mit den magnetisierten Teilen (3, 4) verbunden, dessen Kern er bildet. Eine Kugelhülse gewährleistet die Führung des beweglichen Organs (1). Anschläge (30, 31), die schematisch dargestellt sind, begrenzen den Maximalausschlag des beweglichen Organs (1).
• Figur 2 stellt ein lineares Betätigungselement dar, bei dem das bewegliche Organ von einer Verbundstruktur gebildet wird, bestehend aus zwei dünnen Magneten (16, 18), die durch Zwischenstücke (17) verbunden sind. Das Volumen zwischen den beiden parallelen dünnen Magneten (16, 18) wird mit einem Material sehr hoher magnetischer Permeabilität gefüllt. Diese Ausführungsart ist besonders für Betätigungselemente großer Abmessungen zu empfehlen, bei denen das bewegliche Organ Steifheitsprobleme aufweisen kann. Diese Ausführungsart ist natürlich nicht auf die linearen Betätigungselemente beschränkt, die ein ebenes bewegliches Organ umfassen, sondern kann auch bei rotierenden Betätigungselementen oder auch bei zylindrischen linearen Betätigungselementen eingesetzt werden.
• Figur 3 stellt eine Schnittansicht eines linearen Betätigungselements dar, bestehend aus einer Statorstruktur, die von zwei Magnetkreisen (7, 8) und einem beweglichen Organ gebildet wird, das von zwei dünnen parallelen Magneten (16, 18) gebildet wird, die durch eine Magnetstütze (17) verbunden sind, welche aus einem steifen Material, wie beispielsweise Kohlenstoff-Faser oder rostfreiem Stahl, gefertigt ist.
• Die Magnetstütze weist Verstärkungsrippen (50) auf, die in der Ebene senkrecht auf die Ebene des dünnen Magneten (16, 18) angeordnet sind.
• Die Einheit des beweglichen Organs, die von den beiden parallelen Magneten (16, 18) und der Magnetstütze (17) gebildet wird, gleitet in Translation. Die Führung wird durch feste starre Säulen (51, 54) gewährleistet, die im Inneren der Magnetstütze (17) angeordnet sind. Diese Säulen (51, 54) wirken mit Kugelhülsen zusammen, die an den beiden Enden der Magnetstütze (17) angeordnet sind. Die Hohlvolumen der Magnetstütze (17) werden von einem Material sehr hoher Permeabilität eingenommen, die Zwischenstatoren (55, 56) darstellen. Diese Zwischenstatoren sind in dem beschriebenen Beispiel mit den Führungssäulen (51 bis 54) verbunden und senkrecht auf die Verbindungslinie der beiden magnetisierten Teile und auf die Magnetisierungsrichtung angeordnet. Es versteht sich, daß eine unterschiedliche Führung vorgesehen werden könnte, beispielsweise mit Säulen, die mit der Magnetstütze (17) verbunden sind und mit festen Kugelhülsen zusammenwirken. Das Betätigungselement kann auch um eine Achse "gewickelt" werden, die zur Translationsachse parallel ist, um ein lineares zylindrisches oder semizylindrisches Betätigungselement zu liefern.
• Figur 4 stellt ein rotierendes Betätigungselement dar, bestehend aus einem ersten Magnetkreis (8), der einen Winkelsektor eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt einnimmt. Das bewegliche Organ wird von zwei magnetisierten Teilen (3, 4) in Ziegelform gebildet, d.h. in Form einer Zylinderwand. Diese beiden Teile sind radial in wechselnder Richtung magnetisiert. Der erste Magnetkreis (7) ist mit dem beweglichen Organ und mit dem zweiten Magnetkreis (8) koaxial. Er weist auch eine zylindrische Form auf und umfaßt drei Pole (9, 10, 11). Eine elektrische Erregerspule ist in den Aussparungen angeordnet, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polen vorgesehen sind. Anschläge (30, 31) begrenzen den Weg des beweglichen Organs. Eingearbeitete Formen (48, 49), die symmetrisch zu den Aussparungen des ersten Magnetkreises (7) angeordnet sind, gewährleisten einen Ausgleich der Kräfte, die auf das bewegliche Organ ausgeübt werden.
• Das rotierende Betätigungselement, das in Figur 5 dargestellt ist, umfaßt 2N quer in wechselnder Richtung magnetisierte Teile, deren Form Winkelsektoren einer dünnen Scheibe entspricht. Die Statorstruktur besteht aus einem ersten Magnetkreis (7) und einem zweiten Magnetkreis (8). Der erste Magnetkreis (7) besteht aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität, und seine Form entspricht einem Winkelsektor einer dicken Scheibe. Der zweite Magnetkreis weist eine komplementäre Form auf. Der erste Magnetkreis (7) umfaßt Magnetpole, die von einer Spule (14) umgeben sind. Die Form dieser Magnetpole (9) entspricht ringförmigen Winkelsektoren. Die beiden Magnetkreise (7, 8) sind durch ein nicht magnetisches ringförmiges Zwischenstück (46) verbunden. Der dünne Magnet (3) wird von einem steifen Rahmen (47) gehalten, der mit einer Axialstruktur (43) zusarnrnenwirkt, die von zwei Kugelhülsen (44, 45) geführt wird. Wie vorher ist es möglich, wenn die Statorstruktur mehr als drei Magnetpole umfaßt, einen der Magnetpole mit einer elektrischen Spule zu umgeben, die nicht zur Erregung sondern zur Steuerung dient.
• Figur 6 stellt die Kraft-Verschiebungs-Kurve in Abhängigkeit von den verschiedenen Versorgungsspannungen der Erregerspule (12) dar. Ist die Verschiebung größer als die Zone (70), in der die Kraft konstant ist, wird eine Zone (71 oder 72) erreicht, in der eine Arretierungskraft herrscht, die dazu neigt, eine zusätzliche Verschiebung zu gewhrleisten, die von den Anschlägen (30, 31) begrenzt wird. Diese Zonen (71, 72), in denen eine Arretierungskraft vorhanden ist, bestehen weiter, wenn die Stromstärke, die die Spule (12) versorgt, gleich Null ist. Werden die Abschrägungen (22 bis 25) vergrößert, wird die Zone (70), in der eine konstante Kraft herrscht, verringert. Würden diese Abschrägungen (22 bis 25) weggelassen, käme es zu einem Kleben des beweglichen Organs am Anschlag. In diesem Fall würde das Loslösen einen hohen Strom erfordern, der für den ordnungsgemäßen Betrieb des Betätigungselernents nachteilig wäre.
• Figur 7 stellt ein lineares Betätigungselement zylindrischer Form mit großem Durchmesser dar. Die Statorstruktur wird von einer Vielzahl von übereinandergelagerten Polteilen (19, 20, 21) gebildet. Sie umfaßt Erregerspulen (14) sowie Zusatzsteuerspulen (40). Das bewegliche Organ besteht aus einer Magnetstütze (17), bestehend aus Zwischenstücken, die entlang von Radialebenen angeordnet sind. Auf diese Magnetstütze sind dünne parallele Magnete (16, 18) geklebt. Je nach Größe der Vorrichtung kann es sich um dünne zylindrische Magnete oder auch um eine Vielzahl von dünnen Magneten handeln, die auf die nicht magnetische Stütze (17) geklebt sind, um die Flächen eines Polygons zu bilden. Die Magnetstütze (17) besteht aus einem steifen Material, wie beispielsweise nicht magnetischem rostfreiem Stahl. An jedem Ende umfaßt sie eine Reihe von Kugelhülsen (58, 59), die mit festen Führungssäulen (51) zusammenwirken. Diese Führungssäulen (51) sind auf einem Gestell (61) befestigt und bilden eine Art von zylindrischem Käfig mit Stäben. Die verschiedenen oberen Kugelhülsen (59) sind durch ein Verbindungsstück (60) verbunden, das von einer starren vollen Scheibe gebildet wird. Dieses Verbindungsstück (60) dient zur Übertragung der linearen Bewegung in die durch den Pfeil (5) angezeigte Richtung. Es ist natürlich möglich, entlang gewisser Polkanten eine Abschrägung oder einen geneigten Rand vorzusehen, um den Verschluß zu regeln. Natürlich sind die beiden Polkreise an keinem Punkt durch magnetische Stücke verbunden.
• Es versteht sich, daß die im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsarten keinesfalls einschränkend sind. Insbesondere ist die Anzahl der Polteile nicht auf drei beschränkt, sondern kann höher sein. Ebenso ist es möglich, nur ein abgeschrägtes Band oder im Gegenteil eine Mehrzahl von Kanten mit Abschrägungen vorzusehen.

Claims (15)

1. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement, das mindestens eine stabile Position in Abwesenheit von Strom aufweist, wobei das Betätigungselement eine Statorstruktur umfaßt sowie ein Organ (1), das in einer Richtung Y beweglich ist, wobei die Statorstruktur (2) einen Luftspalt umgrenzt, der sich zwischen einem ersten Magnetkreis (7), welcher aus einem Material von sehr hoher Permeabilität gefertigt ist und eine elektrische Erregerspule (14) umfaßt, und einem zweiten Magnetkreis (8) befindet, wobei der erste Magnetkreis (7) einen mittleren Polteil (10) mit einer Länge Y&sub2; gemessen in der Richtung Y der Verschiebung des beweglichen Organs (1), und zwei seitliche Polteile (9, 11) mit einer Länge Y&sub1; und Y&sub3;, gemessen in der Richtung Y der Verschiebung des beweglichen Organs (1), aufweist, wobei das bewegliche Organ (1) einen dünnen Teil (3, 4) umfaßt, der senkrecht zur Verschiebungsrichtung magnetisiert ist und zwei Paare von gegensätzlich magnetisierten Polen mit einer Länge YA gemessen in der Verschiebungsrichtung des beweglichen Organs (1), bildet, wobei der genannte magnetisierte dünne Teil (3, 4) aus einem Material gefertigt ist, das im gesamten Arbeitsbereich eine praktisch lineare Entmagnetisierungscharakteristik, eine reversible Permeabilität, die derjenigen von Luft sehr nahe kommt, und eine gleichförmige Magnetisierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Polteile Y&sub1;, Y&sub2; und Y&sub3; mindestens der Länge YA des Magnetpolpaares, verringert um die Länge der Aussparung, wo sich die Spule befindet, entsprechen und daß der erste Magnetkreis (7) und der zweite Magnetkreis (8) nur durch nicht magnetische Teile verbunden sind, wobei der Weg des beweglichen Organs (1) zu beiden Seiten einer mittleren Position kleiner ist als die Hälfte der Differenz zwischen der Gesamtlänge des kürzesten Magnetkreises, gemessen zwischen seinen beiden äußeren seitlichen Kanten, und der Gesamtlänge der magnetisierten Teile (3, 4).

2. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Organ (1) von einem Winkelsektor einer Scheibe gebildet wird, der zwei Winkelsektoren aufweist, welche quer in wechselnder Richtung magnetisiert sind, daß der erste Magnetkreis (7) von einem Winkelsektor eines Rings aus einem Material von sehr hoher Permeabilität gebildet wird, der drei Teile mit den gleichen Winkelabmessungen wie die magnetisierten Winkelsektoren aufweist, wobei der erste Magnetkreis (7) eine elektrische Erregerspule (14) umfaßt, und durch einen zweiten Magnetkreis (8), wobei die Magnetkreise durch nicht magnetische Zwischenstücke verbunden sind.

3. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierte Teil röhrenförmig ist und einen ersten zylindrischen Abschnitt mit beliebigem Querschnitt anstelle eines röhrenförmigen (3), welcher radial magnetisiert ist, und einen zweiten, koaxialen Abschnitt (4) aufweist, der sich an den ersten Abschnitt (3) anschließt und radial in wechselnder Richtung magnetisiert ist, wobei sich der bewegliche Teil axial in dem Luftspalt bewegt, der von dem ersten Magnetkreis (7) und dem zweiten Magnetkreis (8) um grenzt wird.

4. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magnetkreis (8) von einem Zylinder aus einem Material von sehr hoher magnetischer Permeabilität gebildet wird.

5. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder fest mit dem zylindrischen magnetisierten Teil (3, 4) verbunden ist, wobei die Länge des zylindrischen Magnetkreises (8) mindestens der Summe der Länge des ersten Magnetkreises (7) und des Wegs der beweglichen Achse entspricht.

6. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierte Teil von mindestens zwei Abschnitten einer dünnen zylindrischen Wand gebildet wird, die in bezug auf die mittlere Mantellinie symmetrisch sind, wobei die genannten Abschnitte radial in wechselnder Richtung magnetisiert sind, wobei das bewegliche Organ (1) um die zentrale Achse dieses Zylinders drehbeweglich ist.

7. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Organ (1) von zwei parallelen dünnen Magneten gebildet wird, die jeweils zwei Teile (3, 4) aufweisen, welche quer in wechselnder Richtung magnetisiert sind, und die durch einen Magnetträger (17) verbunden sind, wobei das zwischen diesen dünnen Magneten enthaltene Volumen mindestens teilweise von einem Material von sehr hoher magnetischer Permeabilität ausgefüllt wird.

8. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung des Magnetträgers (17) von Säulen (51, 54) gewährleistet wird, die im Innern des Magnetträgers (17) angeordnet sind und mit Kugelhülsen zusammenwirken.

9. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Magnetkreise (7, 8) auf mindestens einer seiner Kanten, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Organs (1) und zur Richtung der Magnetisierung sind, eine Abschrägung (22) aufweist, wobei das Betätigungselement außerdem einen Anschlag (30) umfaßt, der eine Bewegung des magnetisierten Teils über die Endzone hinaus, in welcher die Arretierungskraft nachläßt, verbietet.

10. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge Y&sub2; des mittleren Polteils (10) geringer ist als die Längen Y&sub1; und Y&sub3; der seitlichen Polteile (9, 11).

11. Elektromagnetisches Betätigungselement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag in einer Entfernung angeordnet ist, die, gemessen ab der äußeren seitlichen Kante des kürzesten Magnetkreises, geringer als die Breite E des Luftspalts ist.

12. Elektromagnetisches Betätigungselement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnetkreis (7) und der zweite Magnetkreis (8) in bezug auf die zur Magnetisierungsrichtung senkrechte Mittelebene des magnetisierten Teils des beweglichen Organs (1) symmetrisch sind.

13. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Länge YA des magnetisierten Teils und der Breite E des Luftspalts größer als 4 ist.

14. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Abschrägung (22), gemessen in der Verschiebungsrichtung des beweglichen Organs (1), zwischen 1/5 und 1/20 der Länge Y&sub1; des entsprechenden Polteils beträgt.

15. Einphasiges elektromagnetisches Betätigungselement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der seitlichen Kanten von mindestens einem der Magnetkreise (7, 8) und der entsprechende seitliche Rand des magnetisierten Teils zwischen sich einen Winkel bilden, der zwischen 0 und 10 Grad beträgt.